高計算能力
、小(xiao)尺(chi)寸(cun)和(he)低(di)成(cheng)本(ben)使(shi)人(ren)們(men)能(neng)夠(gou)與(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)式(shi)設(she)備(bei)互(hu)動(dong)，使(shi)其(qi)融(rong)入(ru)人(ren)們(men)的(de)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)。結(jie)合(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)小(xiao)型(xing)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)已(yi)在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)流(liu)行(xing)，如(ru)健(jian)康(kang)和(he)健(jian)身(shen)跟(gen)蹤(zong)以(yi)及(ji)安(an)全(quan)等(deng)。它(ta)們(men)對(dui)提(ti)供(gong)有(you)關(guan)我(wo)們(men)的(de)活(huo)動(dong)和(he)行(xing)為(wei)的(de)準(zhun)確(que)及(ji)可(ke)靠(kao)信(xin)息(xi)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)，並(bing)將(jiang)引(yin)領(ling)我(wo)們(men)在(zai)生(sheng)活(huo)、社交互動和活動方麵的革命，如同個人電腦在幾十年前出現時帶來的革命一樣。

 

 

可穿戴設備可監測人類活動。在醫療應用中
，可穿戴設備能夠監測生理活動，測量體溫、心率、腦活動
、肌肉運動和其他重要數據，為患者在家中的康複治療（如術後恢複）提供便利。在體育運動和訓練中，可穿戴設備的嵌入式傳感器可跟蹤和分析使用者的身體活動，然後提供諸如步數、燃燒的卡路裏數等信息。

 

人類活動監測係統的基本架構如圖1suoshi
，genjubutongdejiancerenwushiyongbutongleixingdechuanganqi。laizichuanganqideyuanshishujuyouchuliqishouji，chulihoudeshujuxianshizaikechuandaishebeixianshipingshang，huozhetongguowuxiandianshoufaqiwuxianchuanshudaoyigezhongshushebei
，liruzhinengshouji。shujuzaichuanganjiedianshangyexukeyiwanquanchulihao，yexubuneng，dandaduoshuzaizhongshushebeijinxingcunchuhechuli
，bingyituxinghe/或數值方式顯示。

 

圖1：人類活動監測係統

 

常用於人類活動監測的傳感器包括：

 

①加速計沿著量測軸在特定頻率範圍內測量加速度。通常使用3軸加速計
，以提供3D定位信息。

 

②陀螺儀測量X、Y

、Z軸旋轉速度。與加速計結合使用時，它們能夠提供更準確的3D定位信息。加速計和陀螺儀的這一組合可提供6軸信息。

 

③磁強計。使用磁強計（或通常所稱的磁電機）kejinyibugaijinweizhijiance。ewaidecichangxinxishichuangansuanfanenggouduihenchangshijianshangdexiaopianchajinxingbuchang，youzhuyuwomengengzhunquedigenzongweizhihefangxiangdejueduibianhua。ciqiangji、加速計和陀螺儀的組合可提供9軸信息。

 

④測量環境溫度、氣壓和濕度的環境傳感器能夠提供有關環境狀況的準確信息
，並能通過結合定位信息與環境條件數據，來進一步改進人類活動監測。

 

⑤此(ci)外(wai)還(hai)有(you)測(ce)量(liang)體(ti)溫(wen)和(he)心(xin)率(lv)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。隨(sui)著(zhe)人(ren)類(lei)活(huo)動(dong)監(jian)測(ce)應(ying)用(yong)變(bian)得(de)愈(yu)加(jia)複(fu)雜(za)，更(geng)多(duo)上(shang)述(shu)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)用(yong)於(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)，從(cong)而(er)為(wei)應(ying)用(yong)開(kai)發(fa)帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)自(zi)由(you)度(du)（DoF）。

 

 

通常，設計可穿戴設備需要考慮三個關鍵參數：

 

一是所用傳感器的類型。提供步數或睡眠質量信息的典型活動監測設備可結合使用3軸加速計與無線收發器，使我們能夠在PC、平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)或(huo)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)上(shang)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)收(shou)集(ji)。要(yao)進(jin)行(xing)更(geng)準(zhun)確(que)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)運(yun)動(dong)跟(gen)蹤(zong)，就(jiu)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)軸(zhou)

，另(ling)外(wai)還(hai)可(ke)能(neng)要(yao)添(tian)加(jia)環(huan)境(jing)傳(chuan)感(gan)器(qi)。對(dui)於(yu)提(ti)供(gong)醫(yi)學(xue)信(xin)息(xi)的(de)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)
，可(ke)能(neng)還(hai)要(yao)單(dan)獨(du)或(huo)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)心(xin)率(lv)和(he)體(ti)溫(wen)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

 

ershisuoyongdedigonghaowuxianxieyi。zaimuqianshiyongdegezhongwuxianxieyidangzhong，lanyazhinengshigonglvxiaolvzuigaodeshepinjishu。tongshi，baokuopingbandiannaohezhinengshoujizaineidedaduoshuwuxiangerenjisuanshebeidouzhichilanyazhinengxieyi。

 

三是尺寸和成本。可穿戴設備傳感器節點需體積小、重量輕

，使得它們能輕鬆整合到手表、手環、首飾等產品之中。可穿戴設備傳感器節點還需成本低並且隻需最少的外部元件，將物料需求降到最低。

 

總之，用於活動跟蹤的理想可穿戴傳感器設備，巧妙地將9 軸感測功能和環境傳感器（可實現最佳人類活動跟蹤的）與最低功耗藍牙智能無線技術結合起來，成為全能的小係統。

 

具有 12 個自由度（9 軸跟蹤以及溫度、氣壓和濕度感測）的de傳chuan感gan器qi係xi統tong可ke提ti供gong對dui人ren類lei活huo動dong的de最zui佳jia跟gen蹤zong效xiao果guo，這zhe是shi因yin為wei在zai環huan境jing狀zhuang況kuang信xin息xi的de輔fu助zhu下xia
，它ta能neng夠gou提ti供gong非fei常chang準zhun確que的de定ding位wei信xin息xi。然ran而er，將jiang所suo有you這zhe些xie傳chuan感gan器qi都dou包bao含han於yu一yi個ge非fei常chang小xiao的de係xi統tong
，進jin而er整zheng合he到dao可ke穿chuan戴dai設she備bei之zhi中zhong並bing不bu那na麼me容rong易yi。

 

設計小尺寸係統的挑戰包括：

 

①磁ci強qiang計ji布bu置zhi。在zai磁ci強qiang計ji測ce量liang磁ci場chang強qiang度du時shi，其qi工gong作zuo可ke能neng受shou到dao其qi他ta強qiang磁ci場chang或huo金jin屬shu表biao麵mian的de影ying響xiang。在zai電dian池chi供gong電dian的de可ke穿chuan戴dai設she備bei中zhong，數shu據ju準zhun確que度du會hui受shou到dao射she頻pin信xin號hao和he天tian線xian係xi統tong及ji電dian池chi本ben身shen的de影ying響xiang。

 

②電池及電池座布置。在非常小的可穿戴設備係統中，電池尺寸是決定印刷電路板尺寸的主要因素。而且，電池座和電池（通常為鈕扣電池）的金屬外殼的軟鐵效應，會影響磁電機的性能，從而給電池布置帶來約束。

 

③天tian線xian布bu置zhi。天tian線xian性xing能neng高gao度du依yi賴lai其qi布bu置zhi和he尺chi寸cun。這zhe就jiu需xu要yao仔zai細xi進jin行xing係xi統tong設she計ji，以yi便bian可ke穿chuan戴dai設she備bei具ju有you良liang好hao的de射she頻pin性xing能neng，且qie磁ci強qiang計ji性xing能neng不bu受shou影ying響xiang。可ke使shi用yong的de天tian線xian類lei型xing很hen多duo，包bao括kuo印yin製zhi或huo陶tao瓷ci天tian線xian


，但dan每mei種zhong天tian線xian各ge有you其qi優you點dian和he缺que點dian。

 

 

這zhe裏li我wo們men介jie紹shao一yi種zhong包bao含han上shang述shu所suo有you特te征zheng的de物wu聯lian網wang傳chuan感gan器qi參can考kao設she計ji，以yi及ji實shi現xian可ke穿chuan戴dai設she備bei應ying用yong最zui佳jia係xi統tong尺chi寸cun的de硬ying件jian設she計ji考kao慮lv事shi項xiang。該gai參can考kao設she計ji基ji於yuDialog半導體公司的高度集成DA14583藍牙智能控製器，可減小係統尺寸和成本。它包括用於加快設計先進物聯網設備需要的所有關鍵硬件和軟件。

 

該參考設計是為可穿戴計算、浸入式遊戲、增強現實以及3D室內地圖和導航應用設計運動感測模塊的完整開發平台。它結合了藍牙無線通信和ARM Cortex-M0處理器與加速計、陀螺儀、磁強計和環境傳感器
，非常適合資源有限的係統
，因為它可以最大限度降低內存和處理要求及功耗。該參考設計的主要元件是DA14583係統級芯片（SoC）和博世傳感器。

 

DA14583 SoC具有針對藍牙智能技術的完全集成式無線電收發器和基帶處理器。它可以用作獨立應用處理器或托管係統中的數據泵。DA14583藍牙智能SoC帶有集成式SPI閃存
，且需要的外部元件非常少。另外

，它還采用非常小的QFN40封裝。

 

DA14583的功耗達到了空前低的水平。其在睡眠模式（僅為保留內存供電）下的電流消耗僅0.5 μA，當為所有係統內存供電時，睡眠電流為1.2 μA。在3V電源電壓條件下，發射和接收模式下的總體電流消耗分別為4.8mA和5.1mA。這一低功耗有助於優化電池尺寸。非常小的電池就能讓SoC使用幾個月之久。該DA14583是高度可配置的，它支持OTP，為連接傳感器提供了大量接口
，並能讀取來自集成式模/數轉換器的模擬數據。

 

選擇博世傳感器的原因是其低功耗

、卓越的軟件支持和高度可配置性，能輕鬆適應客戶的需要。此外
，博世傳感器集成度高，並采用非常小的封裝。

 

該參考設計中使用的傳感器描述如下：

 

BMI160（慣性傳感器 – 陀螺儀）：是一種低功耗、低噪聲16weiguanxingceliangdanyuan，zhenduixuyaogaoduzhunquedeshishichuanganqishujudeyidongshebeijishineiyingyongersheji。zaiwanquangongzuomoshixia
，jiasujihetuoluoyiqiyong，dianliuxiaohaodianxingzhiwei950 μA，能夠確保電池供電式設備上安裝的應用程序始終在線。

 

BMM150（地磁傳感器）：是一種用於指南針應用的低功耗
、低噪聲 3 軸數字式地磁傳感器。基於博世的專有 FlipCore 技術
，BMM150 的性能和特性經過仔細調優，可完全滿足 3 軸移動設備應用（如電子指南針

、導航和增強現實）的苛刻要求。

 

BME280（環境傳感器）：是一種專為低功耗應用開發的集成式環境傳感器。內置濕度傳感器具有極快的響應時間，可滿足新興應用（如情境感知）的de性xing能neng要yao求qiu。該gai傳chuan感gan器qi在zai寬kuan溫wen度du範fan圍wei上shang提ti供gong高gao測ce量liang精jing度du。濕shi度du傳chuan感gan器qi具ju有you極ji快kuai的de響xiang應ying時shi間jian，而er壓ya力li傳chuan感gan器qi是shi完wan全quan氣qi壓ya式shi的de，具ju有you異yi常chang高gao的de精jing度du和he分fen辨bian率lv及ji非fei常chang低di的de噪zao聲sheng。

 

在進行係統設計時必須確保實現不受幹擾的高性能
，同時保持低功耗和占用最小的PCB麵積。PCB布線期間必須考慮磁電機帶來的限製因素。磁電機應當距紐扣電池3 mm - 5 mm遠
，距大電流跡線（如鄰近DC/DC轉換器和電感的跡線）10 mm遠。同時建議與電源軌保持3 mm - 4 mm的距離。值得注意的是，磁電機可以置於接地（GND）平麵之上而無需留有間隙。

 

在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)

，電(dian)池(chi)扮(ban)演(yan)著(zhe)重(zhong)要(yao)角(jiao)色(se)
，因(yin)為(wei)其(qi)尺(chi)寸(cun)決(jue)定(ding)著(zhe)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)產(chan)品(pin)的(de)總(zong)功(gong)率(lv)。通(tong)常(chang)，鈕(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)在(zai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)上(shang)的(de)理(li)想(xiang)位(wei)置(zhi)是(shi)在(zai)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)下(xia)麵(mian)。這(zhe)可(ke)確(que)保(bao)與(yu)磁(ci)電(dian)機(ji)間(jian)的(de)最(zui)大(da)距(ju)離(li)
，並(bing)優(you)化(hua)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)的(de)使(shi)用(yong)。另(ling)外(wai)這(zhe)還(hai)能(neng)將(jiang)與(yu)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)可(ke)能(neng)性(xing)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。

 

該參考設計可選擇兩種天線：印刷電路或陶瓷片。選擇陶瓷片天線因為其小尺寸、可靠性

、多(duo)用(yong)途(tu)性(xing)和(he)易(yi)於(yu)調(tiao)諧(xie)。由(you)於(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)尺(chi)寸(cun)小(xiao)

，所(suo)以(yi)天(tian)線(xian)布(bu)置(zhi)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，天(tian)線(xian)應(ying)放(fang)在(zai)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)角(jiao)部(bu)
，確(que)保(bao)遵(zun)守(shou)其(qi)數(shu)據(ju)表(biao)中(zhong)描(miao)述(shu)的(de)連(lian)接(jie)焊(han)盤(pan)說(shuo)明(ming)和(he)接(jie)地(di)（GND）間隙要求。圖2是該參考設計的整體布局。

 

圖2：實際可穿戴設備印刷電路板裝配
，頂視圖（左）和底視圖（右）

 

通常，目標印刷電路板厚度應當約為1.6mm
，這還可以確保磁電機與鈕扣電池及電池座間的額外距離。在遵守相關說明條件下
，裝配完成後的印刷電路板設計如圖2所示。參考設計中使用的是4層印刷電路板。

 

測量結果表明
，在睡眠模式下，該參考設計僅消耗11uA（平均值）電流。在廣播模式下，電流消耗上升至110uA（平均值）。當連接至主機
，在沒有運動且所有傳感器均通電的情況下，平均電流消耗為560uA。1.35mA（平均值）的最大電流消耗是在可穿戴設備處於移動狀態的情況下測得。這也證實了該參考設計的省電特點。

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